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主要内容

发育简介

一个有机体是如何从一个单细胞变成像青蛙、苍蝇或人类这样复杂的东西的?学习发育的基本规则。

要点:

  • 一个多细胞生物从单细胞(受精卵)发展成许多不同细胞类型,形成组织和器官。
  • 发育涉及细胞分裂、体轴形成、组织和器官发育,细胞 分化(确定最后细胞类型)。
  • 在发育过程中,细胞既使用 天生的,或遗传的信息,还可使用 外来的 信号来“决定”其行为和特性。
  • 细胞通常会随着发育变得功能(可产生的细胞类型)越来越专一。

介绍

我的朋友,你是一个能够步行、谈论、思考、学习的超过 30 万亿细胞的组合1。但是你并不总是如此庞大和复杂。事实上,你(以及地球上其他人)是从一个单细胞开始——一个受精卵,或受精的产物开始。那么这么神奇的、复杂的身体是怎样形成的?

发育:总体概括

在发育过程中,一个人类或其他多细胞生物进行了惊人的转变,至少是一个像毛虫化作蝴蝶的转变。在几小时、几天或几个月内,生命从一个叫做 受精卵(精卵结合的产物)的单细胞转变成一个庞大、多细胞、有组织和器官的集合。
当一个胚胎发育时,细胞的分裂、成长和移徙有具体的模式,变为一个更加精妙的身体。为了正常运作,身体需要定义明确的 (如头与尾部),还需要有一系列多细胞的 器官和其他结构,这些结构位于沿轴右侧的位置,以正确的方式相互连接。
一个生命体的细胞也必须专门从事许多不同的功能类型的开发。你的身体(甚至新生儿身体)含有多种不同的 细胞类型,从神经细胞到肝细胞到血液细胞。每个细胞类型只能在身体的某些部分——在某些特定器官的某些组织——发挥其功能。
这个复杂的细胞之舞如何展开?发育基本上属于基因控制。身体的成熟细胞类型,如神经细胞和肝细胞,表达不同的基因集合,从而使他们具有独特的性质和功能。同样,细胞 发育过程中也表达了特定的基因集合。这些基因表达模式指导细胞的行为,允许他们与邻近的细胞进行沟通,协调发育。
在这一系列和随后的文章中,我们将进一步仔细研究发育的规则和例子。

一些基本发育过程

不同的生物通过不同方式发育,但有一些基本的事情必须在几乎所有生物的胚胎发育中发生:
  • 单细胞数量必须通过分裂增加
  • 身体轴(头到尾、右到左等)必须形成
来自Xenbase2 的青蛙生命周期图。
  • 组织必须形成,各器官和结构必须有它们的形状。
    来自Xenbase2 的青蛙生命周期图。
  • 个体细胞必须获得其最终细胞类型的身份(例如神经元)
显然,这些过程不是依次发生的单独事件,而是在胚胎发展的同时展开的。
例如,在早期发育期间,不同的身体轴(例如头到尾和左到右)在不同的时间里建立,而胚胎细胞正在分裂。同样,一个器官的组成要求细胞分裂,以及 分化(细胞进入最终身份)来确保细胞构成器官的正确部分。

发育中的信息来源

细胞如何知道他们在发育中应该做什么?这就是,一个细胞如何知道何时和如何迁移、分裂或分化?广义地说,有两种信息指导细胞的行为:
  • 天生的(遗传性)信息是通过分裂遗传母细胞。例如,细胞可能继承“告诉”它属于神经的或神经细胞生产的、身体直系特征的分子。
  • 外来的(环境的)信息从周围传递给细胞。例如,细胞可能从邻近细胞处获得指导其分化成一种光感受器的信号(光感神经)。
在发育过程中,细胞常常使用内在和外部信息来决定他们的身份和行为。当然,他们没有“决定”的方式考虑问题,像你我那样!相反,细胞像计算机那样作出决定:使用基因和蛋白质进行逻辑操作来计算最佳方式。

分化、决定和干细胞

在发育过程中,细胞在“发展潜力”中往往越来越受到限制。 3 就是,它们可以通过细胞分裂(或直接转化成)的其他细胞种类变得越来越少。
例如,一个人类受精可以变成人体任何种类的细胞,包括组成胎盘的细胞。从干细胞的术语来说,这个能力使受精卵全能的。然而,在多轮细胞分裂之后,胚胎细胞失去了发展成胎盘的能力并在发展潜力中受到限制(多能性4。这些改变是由于细胞表达的基因集合的改变。
最终,胚胎细胞分为三个不同群体,称为 胚层:中胚层、内胚层和外胚层。每个胚层在正常条件下都会生成自己的特定组织和器官。
图片修改自 Some of the cells that arise from animal gastrulas with three germ layers, 作者 Chinami Michaels, the Embryo Project Encyclopedia, CC BY-NC-SA 3.0
随着一个胚层的细胞继续分裂,与邻近细胞互动并阅读自己的内部信息,细胞的命运“选项”将会缩小,范围狭窄。首先,细胞可能 特定化,出处确定但仍可在适当条件下变换。然后,他们可能成为 确定的,意味着他们不可逆转地进入某种形态。一旦一个细胞被确定,即使它转移到新的环境,它将仍将分化成确定的细胞形态5
最后,身体中的大多数细胞 分化 或者处于稳定、最终的身份。人体不同细胞类型的例子包括神经、肠上皮细胞以及在免疫系统中吞噬细菌入侵者的巨噬细胞。每个不同细胞类型都有一个固定的基因表达模式。细胞类型中的基因指定了该细胞类型所需的蛋白质和RNA,赋予其完成工作的正确结构和功能。
例如,上面的图表显示了两个基因,在肝细胞和神经细胞之间表达不同。一个基因,用于编码分解酒精和其他毒素的酶,只在肝细胞中表达(而不在神经细胞中),另一个基因,一种神经传播器编码只是在神经细胞(而不是在肝细胞中)表达。还有许多其他基因在这两种细胞中有不同的表达。

成人干细胞

不是所有人体细胞都分化。成年人体中的一些细胞可以保留分离和生产多种细胞类型的能力。这些细胞包括 成人干细胞, 通常为 多功能细胞:它们可以生产多个细胞类型,但不能产生多种细胞类型4。例如,骨髓细胞中的造血干细胞可以产生血液系统的所有细胞类型(见下文),但不会产生神经或皮肤细胞等其他细胞类型。
图片修改自 Hematopoietic system of bone marrow, 作者 OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
干细胞的标志是,他们经历了 不对称细胞分裂,生产了两个不同的子细胞。一个子细胞仍然是一个干细胞,这个过程叫做 自生复生(分裂的细胞通过生成一个同样的子细胞来“重生”自己)。另一个子细胞有一个新的身份,可能分化成需要的细胞后,继续分裂以形成新细胞。
图片修改自 Hematopoietic system of bone marrow, 作者 OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0
你可以在这些文章中学习更多关于发展的知识,并看到更多的原理和过程实例:
  • 青蛙的发育: 学习青蛙的早期发育。奖励内容:一个关于两头蝾螈的实验!
  • 同源异型基因:学习确定整个部分或身体结构的“主调节”基因。奖励内容:看到一只苍蝇从头中长出了它的腿!

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